アルミニウムボルトの実用化における耐疲労性の検討東京都立産業技術研究所研究報告...

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東京都立産業技術研究所研究報告 第3号(2000 -63 論文 アルミニウムボルトの実用化における耐疲労性の検討 舟山義弘 *1) 大久保富彦 *1) 田中貴浩 *1) 池田 *2) Research on fatigue resistance in practical application of aluminum alloy bolts Yoshihiro FUNAYAMA, Tomihiko OOKUBO,Takahiro TANAKA and Hiroshi IKEDA Abstract The fatigue resistance of aluminum alloy bolts having both high joint strength and resistance to stress corrosion cracking was evaluated under conditions of low temperature (273K), normal temperature (293K),and high temperature (393K). As a result of the research, the following were found: The fatigue strength of the bolt was the largest at low temperature and decreased in the order of normal and high temperatures. The fatigue strength at high temperature sharply decreased as the number of cycles was increased ,and neared zero under high mean stress(360MPa).The fractured surface of the bolt was supposed to be intergranular fracture due to stress corrosion cracking. The maximum fatigue strength was 24.7MPa at low temperature and under low mean stress(stress ratio 0.1,and also ,it was found that the fatigue strength at normal temperature was a slightly inferior than the fatigue strength of the bolt with steel and stainless steel having the equivalent static strength to the aluminium alloy bolts. Keywords Aluminium alloy bolt, Fatigue strength, Joint strength, Stress corrosion craccking, Intergranular fracture 1.はじめに 近年,自動車,鉄道車両等の各分野で,軽量化を図り ながら,リサイクルが可能な環境負荷の小さいアルミニ ウム合金(以下アルミ)による部品が増えている。この 部品締結には,鋼製ボルトを使用する場合が多く,軽量 化やアルミ部品の座面陥没等の問題がある。これはアル ミに比べ鉄の比重が約3倍で軽量化に不向きなことや, 両者が接触する座面ではアルミ部品が電食を起こす等物 性値の違いによるものである。 この対策として,締結部品をアルミニウム合金ボルト (以下アルミボルト)に替える必要がある。アルミボル トは鋼製ボルトに比べ軽量であることや同質材料なので 電食を生じない等アルミ部品締結には最も適している。 しかしながら,アルミボルトは一般の鋼製ボルトに比べ まだ実用化段階には至っていない。この理由として,鋼 ――――――――――――――――――――――――― *1) 製品科学技術グループ *2) 技術評価室 1 試料の形状 製ボルトの強度区分6.8 1) あるいはステンレス鋼ボルト の強度区分A2-70 1) と同等の静的強度を有するアルミ合 金材料は,現状A7075-T6 2) だけである。この材料によ るボルトの実用化の可能性は最も高いが,引張応力が負 荷された状態で腐食環境下に曝された場合,大きな機械 的性質の劣化を生じ破壊に至る応力腐食割れ(以下SC C)の感受性が高く 3) 締結体の安全性に問題が生じる。 このように,締結強度と耐応力腐食割れ性を同時に両立 できないことが,アルミボルトの実用化を阻んできた。 しかし,最近製造方法の改善により,高い締結強度と 7 65 28 37 M10

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Page 1: アルミニウムボルトの実用化における耐疲労性の検討東京都立産業技術研究所研究報告 第3号(2000) -63- 論文 アルミニウムボルトの実用化における耐疲労性の検討

東京都立産業技術研究所研究報告 第3号(2000)

-63-

論文

アルミニウムボルトの実用化における耐疲労性の検討

舟山義弘*1)  大久保富彦*1)  田中貴浩*1)  池田 弘*2)

Research on fatigue resistance in practical application of aluminum alloy bolts

Yoshihiro FUNAYAMA, Tomihiko OOKUBO,Takahiro TANAKA and Hiroshi IKEDA

Abstract The fatigue resistance of aluminum alloy bolts having both high joint

strength and resistance to stress corrosion cracking was evaluated underconditions of low temperature (273K), normal temperature (293K),and high

temperature (393K). As a result of the research, the following were found: ①The

fatigue strength of the bolt was the largest at low temperature and decreased inthe order of normal and high temperatures. ②The fatigue strength at high

temperature sharply decreased as the number of cycles was increased ,and neared

zero under high mean stress(360MPa).The fractured surface of the bolt wassupposed to be intergranular fracture due to stress corrosion cracking. ③The

maximum fatigue strength was 24.7MPa at low temperature and under low mean

stress(stress ratio:0.1) ,and also ,it was found that the fatigue strength atnormal temperature was a slightly inferior than the fatigue strength of the bolt

with steel and stainless steel having the equivalent static strength to the

aluminium alloy bolts.

Keywords   Aluminium alloy bolt, Fatigue strength, Joint strength, Stress

corrosion craccking, Intergranular fracture

1.はじめに

 近年,自動車,鉄道車両等の各分野で,軽量化を図り

ながら,リサイクルが可能な環境負荷の小さいアルミニ

ウム合金(以下アルミ)による部品が増えている。この

部品締結には,鋼製ボルトを使用する場合が多く,軽量

化やアルミ部品の座面陥没等の問題がある。これはアル

ミに比べ鉄の比重が約3倍で軽量化に不向きなことや,

両者が接触する座面ではアルミ部品が電食を起こす等物

性値の違いによるものである。

 この対策として,締結部品をアルミニウム合金ボルト

(以下アルミボルト)に替える必要がある。アルミボル

トは鋼製ボルトに比べ軽量であることや同質材料なので

電食を生じない等アルミ部品締結には最も適している。

しかしながら,アルミボルトは一般の鋼製ボルトに比べ

まだ実用化段階には至っていない。この理由として,鋼

―――――――――――――――――――――――――

*1)製品科学技術グループ*2)技術評価室

図1 試料の形状

製ボルトの強度区分6.8 1)あるいはステンレス鋼ボルト

の強度区分A2-701)と同等の静的強度を有するアルミ合

金材料は,現状A7075-T62)だけである。この材料によ

るボルトの実用化の可能性は最も高いが,引張応力が負

荷された状態で腐食環境下に曝された場合,大きな機械

的性質の劣化を生じ破壊に至る応力腐食割れ(以下SC

C)の感受性が高く3)締結体の安全性に問題が生じる。

このように,締結強度と耐応力腐食割れ性を同時に両立

できないことが,アルミボルトの実用化を阻んできた。

 しかし,最近製造方法の改善により,高い締結強度と

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M10M10

Page 2: アルミニウムボルトの実用化における耐疲労性の検討東京都立産業技術研究所研究報告 第3号(2000) -63- 論文 アルミニウムボルトの実用化における耐疲労性の検討

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Page 4: アルミニウムボルトの実用化における耐疲労性の検討東京都立産業技術研究所研究報告 第3号(2000) -63- 論文 アルミニウムボルトの実用化における耐疲労性の検討

東京都立産業技術研究所研究報告 第3号(2000)

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図7 各温度条件のヘイ線図

 また,低温での疲れ強さは,各平均応力において時間

強さと同様に,他の温度条件より大きく,最大疲れ強さ

は低い平均応力における24.7MPaであった。一般的に鋼

製ボルト単体の疲れ強さは常温で40~50MPa6,7)であ

り,試料の常温での低い平均応力の疲れ強さは20.8MPa

でこれを下回る結果であった。また,鋼製ボルトの常温

における平均応力235MPaの疲れ強さは34.3MPa8),比

較のために行ったステンレス鋼ボルトの常温における平

均応力310MPaの疲れ強さは32.5MPaであり,試料はこ

れも下回る結果であった。

 この理由として,試料の引張強さは鋼製ボルトの強度

区分6.8と同程度であるが,伸びが鋼製ボルトの強度区分

8.8に比べ約30%,同等のステンレス鋼ボルトに比べ約

65%下回っており,延性や靭性に劣り脆い傾向があり,

疲れ強さが小さくなったものと考えられる。

 一方,高温の低い平均応力の疲れ強さは常温より24%,

中間の平均応力では常温より50%低く,高い平均応力で

は疲れ強さは0に近く,疲れ強さは平均応力が大きくな

るにつれて急激に低下する。この温度条件の疲れ強さは,

先にも述べたように高温と平均応力の影響が重なり小さ

くなったものと考えられる。

 これらの結果から,低温及び常温においては,鋼製ボ

ルトやステンレス鋼ボルトに比べ疲れ強さは若干低い値

いであるが,107回と比較的繰返し数が多い厳しい条件

で中間から高い平均応力において,急激な疲れ強さの低

下はなかった。したがって,両温度条件において中間か

ら高い平均応力程度の締付けでは,大きな繰返し外力が

加わわる締結体での実用化は難しいが,大きな繰返し外

力が加わらない場合,主に次のような慎重な締付けを行

うことにより,実用化は可能であると考えられる。第1

に座面とボルト面の摩擦を予め読み込んだ目標トルクを

設定し,トルクレンチの精度の高いものを用いてばらつ

きを小さくして正確に管理し締付けを行う。第2にめね

じの山数を多くしねじ山の荷重分担を均等化させ,ボル

ト第1ねじ山の応力集中を減少させることなどである。

4.まとめ

 ボルトとして安全性の高い締結強度と耐応力腐食割れ

性の両立を図ることができるアルミニウムボルトの開発

が進められ,この実用化を図ることを目的に低温(273K),

常温(293K)及び高温(393K)における耐疲労性につ

いて評価し,次のようなことが明らかになった。

① 各温度条件の時間強さ及び疲れ強さは,低温が一番

大きく,次に常温,高温の順であった。

② 低温及び常温での中間の平均応力では,5×105回

程度までの破断繰返し数は,比較的ばらつきは小さく,

この破断面は疲労破面であった。

③ 低温及び常温の低い平均応力から中間の平均応力で

は,疲れ強さに対する平均応力の影響が大きく約40%

低い値になった。しかし,中間の平均応力から高い平

均応力では,疲れ強さは一定となりこの影響は小さか

った。

④ 最大疲れ強さは,低温の低い平均応力における24.7

MPaであった。また,常温の疲れ強さは20.8MPaで,

静的強度が同等の鋼製ボルトやステンレス鋼ボルトに

比べ耐疲労性が若干劣ることが分かった。

⑤ 高温での時間強さ及び疲れ強さは,平均応力が高く,

繰返し数が多くなるにしたがい急激に低下し,高い平

均応力では疲れ強さは0に近くなった。また,この破

断面には応力腐食割れと観られる粒界破面があった。

 最後に,本研究の遂行に当たり,多大な御協力を頂い

た有限会社トリテクノ社長松木啓介氏,元東京電機大学

生里島祐也氏,福田和雄氏には,厚く御礼申し上げます。

参考文献

1)JISハンドブックねじ:日本規格協会

2)JISハンドブック非鉄:日本規格協会

3)大西忠一:熱処理,32巻,2号,83, (1992).

4)松木啓介:日本ねじ研究協会誌,26巻,1号,12-

13 (1995).

5)北川英夫ほか:破壊力学と材料強度講座15フラクト

グラフィ,132, ㈱培風館 (1977).

6)山本晃:ねじ締結の理論と計算,108, ㈱養賢堂

(1972).

7)松木啓介:ねじ締結“新”常識のうそ,46, 日経B

P社 (1996).

8)日本ねじ研究協会:ねじ締結ガイドブック強度編,

68, (1992).

(原稿受付 平成12年8月1日)